數字化模型在裝配整體式預制建筑設計中的應用

王 恒

（南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210000）

南通市北城小學北校區項目方案設計階段開始于2016年7月，作為江蘇省南通市第一批進行裝配整體式預制建筑設計的中小學校舍項目，在設計過程中對合理劃分預制式及現澆式區域以及從設計初期把控預制裝配率，不出現因預制裝配率不達標而引起設計過程反復等技術問題進行分析，結合數字模型軟件，探索出了解決途徑。

1 工程概況

南通市北城小學北校區項目位于江蘇省南通市港閘區，永達路以南、友誼路以西、緯一路以北所圍合地塊內，地塊西側毗鄰秦灶河。建筑性質為南通市北城小學北校區（60班小學）的教學及輔助用房等，總建筑面積32282.43㎡。其中主要包括四棟主要建筑建筑，如下所述。1）01#教學樓為地上四層外廊式教學樓，建筑面積5330.84㎡；2）02#教學樓、行政辦公樓、多功能廳包括地上四層外廊式教學樓、內廊式辦公樓及地上二層多功能廳，建筑面積為6804.64㎡；3）03#科藝圖文綜合樓、報告廳包括地上四層科藝圖文綜合樓及地上一層報告廳，建筑面積為6869.27㎡，下部為07#地下室；4）04#學生食堂、體育館為地上三層食堂及體育館，學生食堂位于地上一二層、體育館位于地上二層，建筑面積為6291.46m2；規劃要點中，要求該項目整體預制裝配率不低于50%。

2 裝配整體式預制建筑設計

2.1 裝配整體式預制建筑設計的應用區域

裝配整體式預制建筑設計應用的平面及體型宜簡單規則。該項目中，教學樓的教室、行政辦公樓的辦公室等區域，較符合裝配整體式預制建筑設計的條件；而多功能廳、體育館等部分，則由于空間跨度較大、內含功能較多導致平面及造型不規則，不宜應用裝配整體式預制建筑設計，因此該工程根據各個單體實際情況進行不同深度的裝配式設計，如下：1）該項目01#教學樓、02#教學樓、行政辦公樓、03#科藝圖文綜合樓，為裝配整體式預制建筑。結構體系為裝配式整體框架結構；內外圍護采用裝配式NALC蒸壓加氣混凝土內、外墻板。裝配式吊頂、地面干式鋪裝按照建筑實際使用功能按需設置。2）除上述單體外，02#多功能廳、03#報告廳、04#學生食堂、體育館，結構體系為現澆框架結構；內外圍護采用裝配式NALC蒸壓加氣混凝土內、外墻板。裝配式吊頂、地面干式鋪裝依建筑實際使用功能按需設置。

2.2 方案階段采用Google SketchUp平臺搭建數字化模型進行預制裝配率計算的應用目的

相對預制裝配率的手工計算，通過Google SketchUp軟件平臺搭建數字化模型能夠根據建筑信息模型所包括的參數信息，自動形成計算表格，最終應用各類同平臺輔助插件以及其他軟件，由計算機得出準確的計算數據，從而在數據計算流程上避免了人工干預所造成的計算錯誤以及統計疏漏。

并且，由手工方式進行計算，計算人個體的不同或者同一計算人對相同項目進行多次計算后，均有很大概率因各類計算或統計錯誤從而得出不同的計算結果，但是采用自動生成的方式進行該數據的計算，能夠保證每次得出的數值均是準確和一致的。

計算機自動計算與手工計算相比，二者在計算效率方面完全不在一個數量層級，前者能夠在數秒鐘內得到預制裝配率計算結果，而手工計算則需要數個小時。

準確的預制裝配率計算需要在建筑施工圖完成后才能開始該部分的工作，但是此時間節點卻是項目設計的后期階段，假如一旦預制裝配率不達標，再對建筑方案進行修改，則會遇到很大的阻力，造成時間成本和資金成本的提高，甚至導致設計方案和施工圖推翻重做[1]。

針對上述問題，采用Google SketchUp軟件平臺對建筑項目進行控制，則在項目實行的早期得到預制裝配率的數值，雖然在該階段所得到的數值無法做到絕對精確，但是其準確度在宏觀層面，能夠被限定在一定范圍，對后續的設計過程不會產生重大影響。

因此采用該方法能夠在早期、中期和后期各個階段得到該階段所能夠得到的預制裝配率計算結果，進而在項目設計的推進過程中不斷對該數值進行微觀修正。

同時，由于能夠準確、低成本、高效和全面得到預制裝配率計算數值，并且提供直觀可視的技術模型，能夠為建設方和深化設計方提供相應的參照，對其項目決策和設計決策提供有利的客觀數據支撐，大量減少溝通成本[2]。

2.3 建模計算法的技術路徑及原理

2.3.1 軟件介紹

首先Google SketchUp不是以建立建筑信息模型為開發目的軟件，而是以提供快捷簡便的空間建模方式，以求在建筑設計方案階段實現快速形體推敲等功能的建筑草圖軟件，其本身無法承載過多信息，但由于軟件本身操作簡單，一般建筑師均能熟練掌握，其他專業在短時間培訓后也可快速上手；并且行業的應用度廣泛，建模成果直觀；以及其平臺接口開放，目前有大量機構以Google SketchUp平臺為基礎，采用Ruby語言進行各類插件的二次開發，極大地擴充了原軟件的功能，因此在Google SketchUp平臺上進行預制裝配率計算完全具有可操性。

使用Google SketchUp建立建筑工作模型進行預制裝配率自動計算需要使用如下軟件：AutoCAD、Google SketchUp 2015版及以上、SketchUp Fredo6插件集、Group push/pull插件及Microsoft Excel軟件。

2.3.2 數據提取原理

按照江蘇省出臺的預制裝配率計算控制文件，預制裝配率計算分為四個部分，即Z1、Z2、Z3和αi部分。前三部分分別代表著結構體、內外維護體、裝修體中的預制構件所占比重，而αi則是額外的加分權重項。采用構件法進行建模工作，能夠將前三部分的數據自動識別、提取和計算，見表1。

表1 預制裝配率計算分項示意表

2.3.3 實例演示

以02分項教學樓為實例，進行分步建模，統計預制率。

2.3.3.1 階段1：CAD源文件梳理

結構：現澆柱平面圖、現澆梁平面圖、現澆板平面圖、預制柱平面圖、預制梁平面圖、預制板平面圖及現澆樓梯剖面圖、預制樓梯剖面圖。

建筑：預制墻體平面圖、非預制墻體平面圖。

預制裝配率統計中的Z1、Z2、Z3項指標的自動計算實際上是一個求和累積再進行比率計算的過程，其數學計算規則并不復雜，重點在于基礎數據的提取與統計。

首先，裝配式建筑本身是基于一個個構件實體來組成整個建筑的，采用Google SketchUp遵循裝配式建筑的生成邏輯，對各類構件進行快速建模，得到準確、直觀的工作模型；隨后，使用插件自動對工作模型中各類構件的數據進行識別、分揀和統計，進而最終得到在該設計階段所能夠得到的最精確的預制裝配率計算結果。

2.3.3.2 階段2：Google SketchUp快速建模

將CAD源文件分別根據實際建造情況建立模型后進行組合，得到地上一層建筑的基本模型，如圖1所示。

圖1 一層結構梁板柱模型圖

2.3.3.3 階段3：基礎模型歸納整理

經過上述步驟，得到基礎的工作模型，現根據預制裝配式建筑預制率統計所需的各單項數據，將基礎工作模型中的各分項群組進行歸納、整理。

利用Google SketchUp圖層功能，對各分項結構、建筑以及內裝構建進行分類，在CAD源文件中即按上述分類對各圖元的圖層進行設置，導入后自動繼承圖層屬性，圖層設置如圖2所示。

對模型進行圖層分類，可通過以下兩種方法：1）在CAD源文件中即按上述分類對各圖元的圖層進行設置，導入后自動繼承圖層屬性；2）建模完成后，在模型空間內選擇各圖元、群組，分別給予圖層屬性。如下圖3所示。

圖3 設置各類構件圖層

圖層設置完成后，可通過勾選“可見”，來開關不同圖層，從而方便于進行快速選擇以及核對修正等操作。

為便于工作進行以及匯報展示，可使用“材質”功能對各不同類型構件賦予不同色彩，增強模型展示的直觀感受，材質可自由命名，原則上應與圖層名稱一致，如圖4所示。

圖4 設置各類構件材質

通過以上方法，得到較為完善的裝配式建筑模型，以北城小學02#教學樓為例，組合后的整體模型如下圖5所示。

圖5 02#教學樓數字化模型完成圖

2.3.3.4 階段4：分項數據提取

圖層歸類完成后，選擇需要提取數據的群組，使用Fredo6插件中的“實體體積”功能，自動計算所選群組的體積，如圖6所示，教學樓2層預制梁共111根，體積總和為120.41立方米。

又如圖6，教學樓1層整體現澆板和疊合板現澆層的現澆體積總和為131.10立方米，合計164塊樓板。以上統計結論可右鍵直接導出為Excel表格進行儲存。

圖6 構件數據提取圖

以上為體積數據的提取，在Z2分項中，提取的面積通常為投影面，而Fredo6插件中的面積一般為實體所有面的總面積之和，針對這種情況，使用“材質”功能手動對需要統計的面進行區分，操作如下圖7所示。

圖7 通過材質功能區分面

接上述，以一間教室的墻體面積計算為例，軟件中無法自動進行投影面面積的計算，因此，利用材質功能，對需要計算的面進行區分。選擇其他顏色，命名為投影面，賦予墻體最大的計算面，再進行自動統計，得到詳細數據如下圖8所示。

圖8 統計墻體面積

通過上述統計方法自動統計出Z1、Z2、Z3指標所需的各項基礎數據后，根據江蘇省裝配式建筑裝配率計算規則進行Excel表格的填寫，即可快速、準確地得到所建立模型建筑的各項裝配率指標。以上基礎操作思路，總結如下：1）確立正確清晰的計算思路；2）扎實有序地整理好各類型構件的CAD源文件；3）利用SketchUp Fredo6插件集、Group push/pull插件等優秀插件，快速準確建立Google SketchUp模型；4）對應計算表格，對計算模型進行歸類整理；5）使用插件依次依項生成數據，完成表格填寫。

由上述操作，在建筑方案階段即可對項目的預制裝配率進行大致計算，保證后續的施工圖設計階段基本不會出現反復設計的情況。

3 裝配整體式預制建筑設計成果

經方案階段合理劃分了裝配式設計的應用區域以及使用數字化模型穩固建筑形式，在后續的施工圖設計階段中，統計出正確的裝配率。

3.1 Z1 主體結構和外圍護結構預制構件

南通市北城小學北校區項目采用裝配式整體框架結構的建筑設計的單體，其主體結構除部分單體一層柱及屋面板采用現澆外，其余一層樓面以上結構部分采用預制裝配整體式框架結構，結構主體豎向構件采用預制混凝土框架柱；水平樓面梁采用預制混凝土疊合梁；標準層樓梯采用預制混凝土梯板；樓板采用預制非預應力混凝土疊合板。

3.2 Z2 裝配式內外圍護構件

該工程外圍護采用外掛NALC蒸壓加氣混凝土外墻板。

3.3 Z3 內裝建筑部品

該工程內裝部分的裝配式設計包括裝配式吊頂、干式鋪裝樓地面以及預制欄桿。

以02#教學樓、行政辦公樓為例，所統計出的預制裝配率指標如下。Z1 主體結構和外圍護結構預制構件：20.07%。Z2 裝配式內外圍護構件：22.38%。Z3 內裝建筑部品：6.46%。S 創新加分項：4%。02#教學樓、行政辦公樓預制裝配率合計：52.91%。

經施工圖階段的計算，該項目的整體預制裝配率與上述結果基本吻合且不低于50%。

4 結語

裝配式建筑是未來建筑產業的發展方向，數字化模型同樣是未來建筑設計行業的得力助手，該文提供的根據建筑條件靈活應用裝配式設計以及使用數字模型從方案前期把控裝配率的實用方法，目的是希望為類似項目提供參考。正如該文所述，使用數字化模型應貫徹到建筑設計的每個階段，特別是方案設計前期階段，利用如Google SketchUp平臺，通過各類插件，將本不是以建筑信息模型為開發目的方案造型設計軟件轉變為具有類BIM性質的操作工具且具有上手簡單、功能全面等優點，對在方案初期把控預制裝配率，具有一定的積極意義。